李康 丁國(guó)如 李京華 錢惠明 劉寧松

摘要：無(wú)源定位通過(guò)接收目標(biāo)的有意、無(wú)意輻射或反射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，定位系統(tǒng)不向外界發(fā)射電磁波信號(hào)，具有隱蔽性好、作用距離長(zhǎng)、生存能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在民用和國(guó)防領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用。本文從無(wú)源定位內(nèi)涵與特點(diǎn)、在軍民領(lǐng)域的典型應(yīng)用、關(guān)鍵性能指標(biāo)、無(wú)源定位關(guān)鍵技術(shù)以及基于外輻射源照射的無(wú)源定位五個(gè)方面探討了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)，并展望了無(wú)源定位技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 無(wú)源定位;非合作定位;黑飛無(wú)人機(jī);黑廣播

中圖分類號(hào)：TJ765;TN971 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? 文章編號(hào)： 1673-5048（2021）02-0104-09

0 引? 言

有源定位（Active Localization）通過(guò)雷達(dá)、聲吶、激光等有源設(shè)備對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的技術(shù)，具有穩(wěn)定、精度高的優(yōu)點(diǎn)。然而，有源定位系統(tǒng)依靠的是發(fā)射大功率信號(hào)、接收相同的反射信號(hào)，再以信號(hào)從有源設(shè)備到目標(biāo)的來(lái)回時(shí)間推算出雙方之間距離，實(shí)現(xiàn)定位。因此，有源定位系統(tǒng)容易暴露自己，被對(duì)方發(fā)現(xiàn)從而采取反電子偵察等電子防御方法，使定位精度大大下降，甚至遭到電子干擾、電子欺騙等軟殺傷和電磁毀傷與反輻射武器攻擊等硬殺傷，對(duì)定位系統(tǒng)自身安全造成極大隱患。無(wú)源定位（Passive Localization）通過(guò)接收目標(biāo)的有意、無(wú)意輻射或反射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，即不向外界發(fā)射電磁波信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)的位置，只通過(guò)接收電磁波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察目標(biāo)的探測(cè)、定位與追蹤。接收的電磁波信號(hào)可以是目標(biāo)直接輻射的信號(hào)，也可以是外輻射源照射到目標(biāo)后反射、散射的信號(hào)。因此，根據(jù)定位系統(tǒng)接收電磁波信號(hào)來(lái)源的不同，無(wú)源定位可分為基于目標(biāo)輻射信號(hào)的無(wú)源定位和基于外輻射源照射的無(wú)源定位。還可以根據(jù)其他特征進(jìn)行分類：按定位站的數(shù)量，分為單站無(wú)源定位和多站無(wú)源定位。按定位站和目標(biāo)間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，分為固定站對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位、運(yùn)動(dòng)站對(duì)靜止目標(biāo)定位和運(yùn)動(dòng)站對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位等。圖1所示為無(wú)源定位分類的示意圖。

雖然無(wú)源定位以作用距離長(zhǎng)、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、隱蔽性良好等特點(diǎn)，受到各個(gè)領(lǐng)域和世界各國(guó)的重視，但無(wú)源定位在有效信號(hào)截獲、參數(shù)測(cè)量技術(shù)、系統(tǒng)處理能力、定位精度與速度等方面仍具有很大進(jìn)步空間。本文圍繞無(wú)源定位關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用分析，從無(wú)源定位特點(diǎn)、在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用、關(guān)鍵性能指標(biāo)、無(wú)源定位關(guān)鍵技術(shù)及基于外輻射源照射的無(wú)源定位等方面探討了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)，并展望了無(wú)源定位技術(shù)的未來(lái)趨勢(shì)。

1 無(wú)源定位特點(diǎn)

（1） 顧名思義，無(wú)源定位最大的特點(diǎn)即無(wú)源，定位系統(tǒng)只接收信號(hào)不發(fā)射信號(hào)，故定位系統(tǒng)不易被對(duì)方感知，隱蔽性良好，也不易被干擾、破壞，生存能力強(qiáng)。

（2） 無(wú)源定位一般需要多站協(xié)同工作。這是因?yàn)閷?duì)于靜止固定的探測(cè)目標(biāo)，單個(gè)定位站只能捕獲該輻射源信號(hào)的時(shí)間、方位角、頻率等參數(shù)，無(wú)法有效計(jì)算出距

離。對(duì)于運(yùn)動(dòng)的探測(cè)目標(biāo)，如衛(wèi)星、飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)速度很快的物體，可在短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)到相差距離較大的位置，單個(gè)定位站可在短時(shí)間內(nèi)接收到來(lái)自不同位置的輻射源信號(hào)進(jìn)行定位;但無(wú)人機(jī)等運(yùn)動(dòng)速度較慢的物體，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)移動(dòng)很大距離，則需要多站協(xié)同定位。多站協(xié)同定位不僅指各個(gè)定位站信息互通共享，還指定位站間的同步性，包括工作的時(shí)段、頻段等[1]。

（3） 無(wú)源定位對(duì)目標(biāo)位置的估算往往要經(jīng)過(guò)復(fù)雜計(jì)算。一般定位站需要經(jīng)過(guò)信號(hào)截獲、分選處理、信號(hào)配對(duì)等處理流程，才可能對(duì)探測(cè)目標(biāo)正確定位[2]。然而，也存在利用壓縮感知[3]、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]等直接進(jìn)行定位的技術(shù)，大大降低了計(jì)算復(fù)雜度和處理時(shí)間。

（4） 無(wú)源定位的定位效果與定位站的分布有關(guān)，需要依據(jù)不同的定位應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)定位站進(jìn)行具體的布局。

2 無(wú)源定位應(yīng)用

無(wú)源定位在國(guó)防領(lǐng)域，尤其是在電子對(duì)抗戰(zhàn)電子偵察方面發(fā)揮著重要且出色的作用[5-7]。無(wú)源定位以己方、敵方或中立方的民用、軍用輻射源做外輻射源，適用于在偵察目標(biāo)不知情的狀況下，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位和追蹤，掌握目標(biāo)長(zhǎng)期活動(dòng)的位置軌跡和規(guī)律，對(duì)目標(biāo)發(fā)起精確攻擊，在空域預(yù)警[5]、海域監(jiān)測(cè)[6]、地面非法入侵[7]、水面艦艇定位[8]等領(lǐng)域有著豐富應(yīng)用。

2.1 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中的無(wú)源定位[9-10]

美軍網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)不僅要求快速融合足夠多的目標(biāo)信息和作戰(zhàn)命令到各級(jí)作戰(zhàn)單位，以擊潰對(duì)方的綜合防空系統(tǒng)，還需要精準(zhǔn)快速捕獲高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)，掌握其位置信息、活動(dòng)軌跡，發(fā)起精確武器攻擊。Suter計(jì)劃作為美軍網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)重要組成部分，集監(jiān)視、入侵、控制、進(jìn)攻功能于一體，利用大量無(wú)源定位和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無(wú)源定位設(shè)備間協(xié)同工作進(jìn)行地理位置定位，不同平臺(tái)將大量截獲信號(hào)的測(cè)量參數(shù)及定位結(jié)果記錄到通用數(shù)據(jù)庫(kù)中，以輔助其他設(shè)備或控制中心在執(zhí)行任務(wù)時(shí)作參考。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的完善，多平臺(tái)間的協(xié)作定位往往優(yōu)于任何一個(gè)平臺(tái)的定位精度和定時(shí)時(shí)間。除了地理位置信息外，其他信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中心協(xié)同瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（Network Centric Collaborative Targeting，NCCT）能夠在數(shù)秒之內(nèi)融合多平臺(tái)的數(shù)據(jù)并對(duì)敵方輻射源進(jìn)行識(shí)別、定位、跟蹤，注入假目標(biāo)欺騙信號(hào)，引誘對(duì)方搜索無(wú)效的空間范圍，再注入假指令破解對(duì)方發(fā)送的無(wú)線電報(bào)文內(nèi)容，最終完全控制對(duì)方的防御系統(tǒng)。

2.2 機(jī)載系統(tǒng)上的無(wú)源定位[11]

機(jī)載無(wú)源定位系統(tǒng)精度高、速度快，往往匹配了以數(shù)字接收機(jī)為核心的新型參數(shù)測(cè)量技術(shù)，如數(shù)字式相位干涉儀測(cè)向、數(shù)字式相位差測(cè)量?jī)x等，大大提高了參數(shù)測(cè)量的精確度和定位處理能力。信號(hào)情報(bào)（Signal Intelligence，SIGINT）飛機(jī)利用其他戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上的雷達(dá)預(yù)警接收器（Radar Warning Receiver，RWR）提供的參數(shù)信息對(duì)外輻射源進(jìn)行精確定位，與戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，引導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)發(fā)起精確攻擊，或?yàn)榈孛胬走_(dá)提供信息以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤。美國(guó)開發(fā)的無(wú)源測(cè)距分系統(tǒng)（Passive Ranging Subsystem，PRSS）計(jì)劃、精確定位和識(shí)別（Precise Localization and Identification，PLAID）技術(shù)也是利用機(jī)載RWR設(shè)備測(cè)算多普勒頻差和到達(dá)時(shí)間差，再估算出外輻射源的位置，系統(tǒng)定位精度高、速度快。先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)技術(shù)（Advanced Tactical Targeting Technology，AT3）則以多個(gè)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)間的數(shù)據(jù)鏈來(lái)共享到達(dá)機(jī)載小型天線的到達(dá)角信息，當(dāng)多個(gè)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)等間隔分布且與威脅目標(biāo)達(dá)等數(shù)量級(jí)距離時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多威脅目標(biāo)的高精度定位。

2.3 針對(duì)黑飛無(wú)人機(jī)的無(wú)源定位[12-14]

雷達(dá)一般用于探測(cè)和追蹤大型飛機(jī)，然而由于無(wú)人機(jī)的雷達(dá)反射截面較小且常常處于低空低速飛行狀態(tài)，因此應(yīng)用于無(wú)人機(jī)探測(cè)和追蹤的雷達(dá)技術(shù)較為困難。即便如此，多基雷達(dá)捕獲并分析由無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的微多普勒信號(hào)后，利用多普勒定位法和到達(dá)時(shí)間定位法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度定位?；跓o(wú)人機(jī)音頻信號(hào)的無(wú)源定位也常用于對(duì)黑飛無(wú)人機(jī)的探測(cè)追蹤。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，電機(jī)和快速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳會(huì)產(chǎn)生音頻信號(hào)，通過(guò)部署一定范圍的聲傳感器，測(cè)算音頻到達(dá)傳感器的到達(dá)角度和到達(dá)時(shí)間，便可估計(jì)出無(wú)人機(jī)的位置，但基于音頻信號(hào)的定位方法對(duì)環(huán)境噪聲敏感，且探測(cè)距離往往受限。基于射頻信號(hào)的RSS（Received Strength Signal）/DOA（Direction of Arrival）方法對(duì)于黑飛無(wú)人機(jī)的定位也有良好的定位效果，但受其他射頻信號(hào)噪聲、非視距傳播、多徑傳播等因素較大。5G行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，無(wú)人機(jī)需要利用5G基站進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，以進(jìn)行線路巡檢、交通管理和陸空協(xié)同、應(yīng)急通信和救援等方面的工作，用途十分廣泛。因此，5G場(chǎng)景中對(duì)黑飛無(wú)人機(jī)的定位和監(jiān)測(cè)十分重要。基于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的黑飛無(wú)人機(jī)定位方法，主要利用5G信號(hào)作為外輻射源，搭配5G關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)黑飛無(wú)人機(jī)厘米級(jí)精度的定位。5G處于毫米波頻段，收到無(wú)人機(jī)的雷達(dá)反射截面更大，更容易發(fā)現(xiàn)小型無(wú)人機(jī);超寬帶使距離分辨率更高;大規(guī)模天線陣列與空分復(fù)用、波束賦形，使定位過(guò)程中數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力更強(qiáng)，定位系統(tǒng)具有更高的空間分辨率。

2.4 針對(duì)黑廣播的無(wú)源定位[15-16]

黑廣播會(huì)干擾正常的通信系統(tǒng)，擾亂重要的公共服務(wù)，危害性十分嚴(yán)重。然而黑廣播的發(fā)射信號(hào)參數(shù)未知、易變，且發(fā)射源通常藏匿于隱蔽的位置，因此實(shí)現(xiàn)高精度的黑廣播定位面臨許多挑戰(zhàn)。取締黑廣播，一般需要固定監(jiān)測(cè)站和可移動(dòng)設(shè)備的聯(lián)合定位，固定監(jiān)測(cè)站發(fā)現(xiàn)分析接收信號(hào)參數(shù)異常確認(rèn)黑廣播發(fā)射源的大致范圍，再出動(dòng)車輛、無(wú)人機(jī)等可移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行更精確的定位?？梢苿?dòng)設(shè)備一般采取接收信號(hào)強(qiáng)度定位法，利用天線陣列各個(gè)單元接收到的相位差或互相關(guān)值進(jìn)行作為訓(xùn)練階段的數(shù)據(jù)值，通過(guò)插值和回歸的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，實(shí)現(xiàn)指紋定位。

2.5 針對(duì)偽基站的無(wú)源定位[17-18]

偽基站主要利用移動(dòng)通信協(xié)議中的漏洞，誘使用戶手機(jī)選擇進(jìn)入偽基站區(qū)域，從而獲得如國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）、國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼（International Mobile Equipment Identity，IMEI）等用戶信息，在發(fā)送惡意垃圾信息后，再中斷與偽基站網(wǎng)絡(luò)間的連接，使其接入正常的通信網(wǎng)絡(luò)。偽基站會(huì)對(duì)各種移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)制式的手機(jī)發(fā)起攻擊[19]，但主要以全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）制式的偽基站攻擊為主，攻擊者會(huì)刻意提升GSM信號(hào)的強(qiáng)度或發(fā)送干擾信號(hào)，迫使用戶接入GSM網(wǎng)絡(luò)。偽基站定位要以偽基站檢測(cè)為前提，偽基站與正?；驹趶V播頻點(diǎn)穩(wěn)定性、位置區(qū)碼（Location Area Code，LAC）等參數(shù)設(shè)置、信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)切換頻率等方面有很大不同，因此常將這些差異作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)偽基站的主要依據(jù)。在檢測(cè)出偽基站后，一般先采用信號(hào)傳播距離與衰減程度的RSS、DOA、到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）、到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）等測(cè)距定位法，或RSS指紋定位等非測(cè)距定位法，逐步逼近計(jì)算出偽基站位置。

除此之外，對(duì)基于外輻射源照射的無(wú)源定位，還可利用電視廣播或大型雷達(dá)的非合作信號(hào)監(jiān)測(cè)隱身目標(biāo)和無(wú)線電靜默目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)[20]。如英國(guó)開發(fā)的以電視音頻調(diào)幅（Amplitude Modulation，AM）信號(hào)作為外輻射源的無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)，美國(guó)以電視和廣播調(diào)幅（Frequency Modulation，F(xiàn)M）信號(hào)研制的“沉默的哨兵”無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)。且利用第三方民用、商用電視廣播信號(hào)、通信信號(hào)、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）信號(hào)等非合作信號(hào)越來(lái)越成為近些年來(lái)無(wú)源定位發(fā)展的方向[5，21-26]。這些都是無(wú)源定位涉及國(guó)家安全、信息安全、用戶安全的重要應(yīng)用。在民用領(lǐng)域，無(wú)源定位在室內(nèi)定位[27-28]、無(wú)人倉(cāng)庫(kù)管理[29]、車輛定位[30]、井下人員定位[31]、閃電探測(cè)[32]等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

3 無(wú)源定位關(guān)鍵性能指標(biāo)

當(dāng)無(wú)源定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到來(lái)自外輻射源信號(hào)時(shí)，要立即選擇合適的定位體制、測(cè)量定位體制所需參數(shù)，再根據(jù)定位方程解出所有可能的目標(biāo)解，其中必然包含誤差，需要利用不同算法對(duì)誤差進(jìn)行優(yōu)化，得出對(duì)目標(biāo)位置估計(jì)的最優(yōu)解。影響無(wú)源定位性能的因素有許多，其中，定位精度、定位時(shí)間和定位范圍是無(wú)源定位的關(guān)鍵性能指標(biāo)，應(yīng)著力減少其他因素對(duì)這些關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響。

3.1 定位精度

定位精度往往與定位體制、定位算法和相應(yīng)的參數(shù)測(cè)量誤差有關(guān)。對(duì)于一個(gè)無(wú)源定位系統(tǒng)，改變其定位體制選擇、參數(shù)測(cè)量方式、定位方程求解中的任何一個(gè)因素，都將會(huì)隨機(jī)影響其定位精度。一般以定位誤差（目標(biāo)空間位置的估算值和真實(shí)值之間的差值作為定位誤差）來(lái)評(píng)估和度量定位精度。無(wú)源定位系統(tǒng)中的定位誤差分類如圖2所示。

3.2 定位時(shí)間

無(wú)源定位系統(tǒng)中的定位時(shí)間指從探測(cè)到目標(biāo)信號(hào)出現(xiàn)至求解出目標(biāo)空間位置整個(gè)過(guò)程的全部時(shí)間，其中包括參數(shù)觀測(cè)時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和定位處理時(shí)間。然而對(duì)于事先已經(jīng)建立好有關(guān)目標(biāo)輻射源數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)源定位系統(tǒng)，定位時(shí)間會(huì)大大縮短。非實(shí)時(shí)的無(wú)源定位系統(tǒng)一般針對(duì)靜止目標(biāo)的定位，因此對(duì)于定位時(shí)間的要求不高。而實(shí)時(shí)的無(wú)源定位系統(tǒng)主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位，因此定位時(shí)間要足夠短以保證對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)估計(jì)和追蹤。很大程度上，定位體制的選擇將影響定位時(shí)間。如一點(diǎn)定位中對(duì)目標(biāo)信號(hào)的觀測(cè)時(shí)間是主要影響因素，動(dòng)態(tài)定位中定位站的運(yùn)動(dòng)速度和觀測(cè)時(shí)間是主要影響因素，交叉定位中多站間的數(shù)據(jù)傳輸和融合時(shí)間將對(duì)定位時(shí)間產(chǎn)生主要影響。

3.3 定位范圍

定位范圍一般包含兩個(gè)意義，定位信號(hào)范圍和定位地域范圍。定位信號(hào)范圍指系統(tǒng)能夠?qū)κ裁礃拥碾姶挪ㄐ盘?hào)進(jìn)行定位，強(qiáng)調(diào)定位系統(tǒng)針對(duì)各類電磁波信號(hào)的適用范圍，包括可定位信號(hào)的頻段和可定位信號(hào)的類別;定位地域范圍指系統(tǒng)在具體的使用環(huán)境下能夠?qū)Χ啻蟮赜蚍秶鷥?nèi)的電磁波信號(hào)進(jìn)行定位，強(qiáng)調(diào)定位系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，固定站定位時(shí)通常產(chǎn)生絕對(duì)地域，移動(dòng)站點(diǎn)定位時(shí)通常會(huì)生成相對(duì)于定位站點(diǎn)的相對(duì)地域范圍，對(duì)于定位地域范圍的描述可從定位面積和定位區(qū)域形狀兩個(gè)角度展開。

4 無(wú)源定位關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)源定位系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，如目標(biāo)跟蹤和軌跡形成、定位數(shù)據(jù)庫(kù)建立和目標(biāo)識(shí)別、實(shí)時(shí)大容量信號(hào)處理、數(shù)據(jù)融合、站間信息傳輸?shù)取Ｌ貏e是在電子干擾、電子誘偏等復(fù)雜電磁環(huán)境下，無(wú)源定位系統(tǒng)需要解決對(duì)多信號(hào)的判斷和識(shí)別，與定位數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，配合雷達(dá)等有源定位設(shè)備進(jìn)行協(xié)同定位。表1所示為無(wú)源定位關(guān)鍵技術(shù)及其所對(duì)應(yīng)的相關(guān)技術(shù)。

然而，無(wú)源定位系統(tǒng)最重要的關(guān)鍵技術(shù)還是獲取位置信息。實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)定位，主要關(guān)鍵技術(shù)在于參數(shù)測(cè)量和定位方法。

4.1 參數(shù)測(cè)量

作為影響定位性能的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)量誤差的處理是任何定位算法都難以回避的必要環(huán)節(jié)。優(yōu)秀的定位算法可在誤差一定的情況下盡可能提高定位精度，但永遠(yuǎn)無(wú)法突破誤差所導(dǎo)致的精度上限。因此，聚焦于測(cè)量誤差處理、準(zhǔn)確估計(jì)參數(shù)是對(duì)提高定位精度的有力支撐。表2所示為不同測(cè)量參數(shù)的估計(jì)方法。

4.2 定位方法

無(wú)源定位的體制較多，包括一點(diǎn)定位、動(dòng)態(tài)定位、交叉定位等，根據(jù)輻射源與定位站間相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、定位站數(shù)量等具體特征應(yīng)選用不同的定位體制。如一點(diǎn)定位適用于單固定站對(duì)運(yùn)動(dòng)輻射源的定位，動(dòng)態(tài)定位適用于單運(yùn)動(dòng)站對(duì)靜止輻射源的定位，交叉定位適用于多站對(duì)運(yùn)動(dòng)輻射源的定位。主要的無(wú)源定位方法有以下8種。

4.2.1 接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）

基于RSS（Received Signal Strength）的定位法根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)間鏈路信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)變化來(lái)進(jìn)行定位。該方法首先需要在探測(cè)區(qū)域的周圍部署一定數(shù)量的傳感器，傳感器網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立無(wú)線通信鏈路。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)會(huì)引起目標(biāo)周圍無(wú)線通信鏈路信號(hào)強(qiáng)度的改變，測(cè)算出前后的信號(hào)強(qiáng)度之差，再根據(jù)不同的定位算法估算出目標(biāo)的空間位置，如圖3所示。

RSS定位法主要有：基于路徑傳輸損耗模型[33-34]和基于指紋定位[35-36]模型。前者以接收信號(hào)強(qiáng)度之差作為信號(hào)的路徑傳輸損耗，根據(jù)傳輸能量損耗與傳輸距離的數(shù)學(xué)關(guān)系選擇合適的信道傳輸模型后，計(jì)算出目標(biāo)與傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離。后者實(shí)現(xiàn)定位首先需要經(jīng)過(guò)離線訓(xùn)練階段，記錄原始RSS值、建立數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)入在線匹配階段后，將實(shí)時(shí)RSS與數(shù)據(jù)庫(kù)中的RSS進(jìn)行比較，利用相關(guān)算法選出最匹配的RSS值，該RSS值對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)位置即為目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的位置。RSS定位法適用于室內(nèi)或范圍較小區(qū)域的定位，具有實(shí)現(xiàn)方便、成本和功耗低、部署簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際傳播環(huán)境中信號(hào)存在陰影衰落、多徑效應(yīng)、非視距傳播等現(xiàn)象，造成定位精度大大下降。不僅如此，RSS定位法還存在不同無(wú)線信號(hào)共存、相互干擾的現(xiàn)象，影響定位效果。

4.2.2 測(cè)向定位法（DOA）

DOA（Direction of Arrival）定位法又稱三角定位法，主要根據(jù)目標(biāo)輻射源到達(dá)定位站的方位角來(lái)進(jìn)行定位[34，37-38]。在不同空間位置下目標(biāo)的輻射信號(hào)到達(dá)定位站時(shí)方位角不同，確定每個(gè)方位角對(duì)應(yīng)的方位線，測(cè)得的多條方位線可能相交于一點(diǎn)，該交點(diǎn)即為目標(biāo)輻射源的空間位置，如圖4所示。

DOA定位法具有所需數(shù)據(jù)量小和處理方法算法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但僅靠方位角來(lái)進(jìn)行定位，定位站能夠捕獲目標(biāo)輻射源的信息相對(duì)較少，影響定位精度。且該方法較大程度上受方位角測(cè)量精度影響，方位角的測(cè)量誤差往往導(dǎo)致多條方位線不能相交于一點(diǎn)，造成對(duì)目標(biāo)無(wú)法有效定位[39]。當(dāng)多條方位線相交時(shí)，一般通過(guò)求解相交區(qū)域的質(zhì)心坐標(biāo)作為目標(biāo)位置。提高定位精度可以通過(guò)不同算法或準(zhǔn)確的測(cè)量值來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的DOA定位算法主要有基于加權(quán)最小二乘（Weighted Least Square，WLS）和極大似然估計(jì)（Maximum Likelihood Estimation，MLE）。對(duì)于DOA定位法來(lái)說(shuō)，若想實(shí)現(xiàn)較大的定位精度主要依靠具有較高測(cè)量精度的測(cè)量設(shè)備，而測(cè)量設(shè)備往往很難達(dá)到這樣的要求。除此之外，DOA定位法由于定位時(shí)間較長(zhǎng)，所以比較適合于靜止目標(biāo)或運(yùn)動(dòng)速度較慢的目標(biāo)，對(duì)移速較快的目標(biāo)，DOA定位法的定位誤差較大。

4.2.3 到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）

TOA（Time of Arrival）定位法根據(jù)目標(biāo)輻射源到達(dá)定位站的傳播時(shí)延，以此計(jì)算出目標(biāo)輻射源到定位站的距離來(lái)進(jìn)行定位。在視距傳播（Line-of-Sight，LOS）的情況下，目標(biāo)與定位站間的直達(dá)距離完全取決于傳播時(shí)延。以定位站為圓心、目標(biāo)與定位站間的距離為半徑作圓，多個(gè)圓相交于一點(diǎn)，該交點(diǎn)即為目標(biāo)輻射源的空間位置，如圖5所示。TOA定位方法一般需要至少三個(gè)以上的定位站，若為兩圓相交則會(huì)出現(xiàn)歧義解[34，38，40]，如圖6所示。

TOA定位法首先必須要對(duì)目標(biāo)輻射源的時(shí)間特征進(jìn)行精確測(cè)量，才能獲得目標(biāo)的移動(dòng)速度和距離信息。確定目標(biāo)輻射信號(hào)的脈沖周期，精確校準(zhǔn)定位站與目標(biāo)的時(shí)間同步，定位精度才可以有較大的提升。此外，目標(biāo)輻射信號(hào)在傳播過(guò)程中由于存在噪聲、多徑干擾等信道狀態(tài)不佳或非視距傳播等原因，多個(gè)圓可能沒(méi)有相交于一點(diǎn)的情況，造成定位精度下降。

4.2.4 到達(dá)時(shí)間差定位法（TDOA）

TDOA（Time Difference of Arrival）定位法又稱雙曲線定位法，主要根據(jù)目標(biāo)輻射源到達(dá)各定位站的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位。與TOA定位法相似，需要至少三個(gè)以上的定位站實(shí)現(xiàn)定位，但TDOA不需要目標(biāo)和定位站間精確的時(shí)間同步。TDOA各定位站在嚴(yán)格的時(shí)間同步下接收來(lái)自目標(biāo)輻射源的發(fā)射信號(hào)，指定一個(gè)參考站，測(cè)算參考站和其他各站之間的傳輸時(shí)間差，以此推出距離差。以每個(gè)定位站為焦點(diǎn)、距離差為長(zhǎng)軸作雙曲線，各雙曲線的公共交點(diǎn)即為目標(biāo)輻射源的空間位置[34，37]，如圖7所示。

TDOA定位法精度高、速度快、系統(tǒng)復(fù)雜度低，保證各定位站嚴(yán)格的時(shí)間同步、準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)與各定位站間的時(shí)間差是TDOA定位法的關(guān)鍵。常用的時(shí)間同步方法有搬運(yùn)鐘法、主站授時(shí)法和授時(shí)中心法。目前，時(shí)間差參數(shù)估計(jì)方法主要有互相關(guān)法、匹配濾波器等時(shí)域相關(guān)法、頻域估計(jì)法和多重信號(hào)分類（Multiple Signal Classification，MUSIC）特征值匹配等方法。值得注意的是，TDOA定位法中除了噪聲和測(cè)量誤差是產(chǎn)生定位誤差的主要因素外，長(zhǎng)基線時(shí)差定位會(huì)存在匹配模糊問(wèn)題，定位系統(tǒng)和目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起時(shí)差模糊現(xiàn)象。

4.2.5 多普勒頻率定位法（Doppler Frequency）

多普勒頻率定位法主要根據(jù)目標(biāo)到達(dá)定位站的載波頻率（FOA）和目標(biāo)輻射信號(hào)頻率之間存在頻率差這一特性來(lái)進(jìn)行定位[41]。當(dāng)目標(biāo)輻射源發(fā)射的信號(hào)連續(xù)時(shí)，定位站和目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，表現(xiàn)為定位站與目標(biāo)接收信號(hào)的頻率之差。聯(lián)立三個(gè)站點(diǎn)以上的定位方程，求解得出目標(biāo)輻射源的空間位置：

fi=c±v0c±vsf0 i∈N*

式中：fi為定位站i接收到的頻率;f0為目標(biāo)發(fā)射的原始頻率;c為電磁波在自由空間中傳播的速度;v0為定位站移動(dòng)速度，若接近目標(biāo)則運(yùn)算符號(hào)為+號(hào)，反之則為-號(hào);vs為發(fā)射源移動(dòng)速度，若接近定位站則運(yùn)算符號(hào)為-號(hào)，反之則為+號(hào)。另外，也可根據(jù)各定位站間的多普勒頻差（Frequency Difference of Arrival，F(xiàn)DOA）進(jìn)行定位：

fij=c±v0ic±vs-c±v0jc±vsf0 i，j∈N*且i≠j

多普勒頻率定位法對(duì)頻率測(cè)量精度較為嚴(yán)格，主要的頻率測(cè)量法有差分法和互模糊函數(shù)法。

4.2.6 相位差變化率定位法

在定位站與目標(biāo)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，將相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度分解出切向速度，利用接收信號(hào)的相位差變化率測(cè)算方位角變化率，以此估算定位站與目標(biāo)間的距離，再結(jié)合目標(biāo)的方位角，得出目標(biāo)輻射源的空間位置。這是一種運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)合交叉定位的方法，常用于運(yùn)動(dòng)單站對(duì)固定目標(biāo)的定位[38，42]。

4.2.7 多普勒頻率變化率定位法

類似于相位差變化率定位法，多普勒頻率變化率定位法利用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)的徑向速度在定位站上產(chǎn)生的多普勒頻率變化率來(lái)進(jìn)行定位[43-44]。

4.2.8 混合定位法

單獨(dú)的定位方法在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多缺點(diǎn)，混合定位通過(guò)同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)來(lái)提高定位性能，達(dá)到互補(bǔ)的效果。文獻(xiàn)[45]指出RSS在短距離內(nèi)定位更精確，TOA則在長(zhǎng)距離時(shí)定位效果更好，然而單獨(dú)采用RSS或TOA都無(wú)法很精確地解決中間距離的定位問(wèn)題。利用RSS和TOA在實(shí)際接收過(guò)程中的弱相關(guān)性，分別提取出接收信號(hào)中的RSS和TOA參數(shù)進(jìn)行RSS/TOA聯(lián)合定位，在中間距離定位問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[46]提出了一種在非視距傳播（Non-Line-of-Sight，NLOS）下基于SR-WLS（Squared Range-Weighted Least Square）算法的RSS/TOA聯(lián)合定位方法，將原來(lái)的非凸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為廣義信賴域子問(wèn)題，結(jié)果顯示在NLOS情況下比傳統(tǒng)的單獨(dú)定位方法具有更高的定位精度。文獻(xiàn)[47]所提的RSS/TDOA定位算法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有定位精度高、收斂速度快、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[48]提出的DOA/TOA定位方法分別在多徑效應(yīng)和低信噪比場(chǎng)景下估計(jì)目標(biāo)輻射源的空間位置，比指紋定位方法有更優(yōu)異的表現(xiàn)。文獻(xiàn)[49]所提的DOA/TDOA聯(lián)合定位與單獨(dú)使用AOA相比，可產(chǎn)生更好的定位精度，且減少了所需傳感器的數(shù)量。文獻(xiàn)[50] 中使用TDOA/FDOA方法解決了移動(dòng)目標(biāo)的定位，在中高噪聲水平下顯著優(yōu)于現(xiàn)有方法，并通過(guò)大量的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[51] 在低信噪比條件下，TDOA/FDOA/差分多普勒定位表現(xiàn)良好，且能夠克服相對(duì)多普勒壓縮問(wèn)題。

5 基于外輻射源照射的無(wú)源定位

基于外輻射源照射的無(wú)源定位，也稱非合作定位。世界上每時(shí)每刻都會(huì)有大量的第三方民用、商用電磁信號(hào)向空中輻射，電磁波資源十分豐富，當(dāng)這些信號(hào)在空中遇到目標(biāo)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁波的反射、散射，其中的一部分將被無(wú)源定位系統(tǒng)接收到，故利用第三方民用商用電視廣播信號(hào)、通信信號(hào)、GPS信號(hào)等非合作信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位是無(wú)源定位的另一重要發(fā)展方向。基于電視廣播信號(hào)、通信信號(hào)等外輻射源的無(wú)源定位有利于對(duì)隱身目標(biāo)的追蹤、無(wú)線電靜默目標(biāo)的探測(cè)，且這些外輻射源信號(hào)具有分布廣泛、全天候工作的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的可靠性高[52]。利用來(lái)自外輻射源的直射波及外輻射源照射到被探測(cè)目標(biāo)的反射、散射回波信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的偵察探測(cè)、定位和追蹤，其核心技術(shù)是無(wú)源相干定位（Passive Coherent Localization，PCL）技術(shù)[53]，即在接收系統(tǒng)設(shè)置雙接收信道：一個(gè)為參考信道，用于接收來(lái)自外輻射源的直達(dá)波信號(hào);另一個(gè)為目標(biāo)信道，用于接收來(lái)自目標(biāo)的反射回波信號(hào)。利用PCL技術(shù)對(duì)直達(dá)波信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行一系列信號(hào)處理后，便能夠提取出目標(biāo)到達(dá)接收系統(tǒng)的時(shí)間、角度、頻率等參數(shù)信息，再對(duì)提取到的參數(shù)信息進(jìn)行單獨(dú)或聯(lián)合的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)、定位、追蹤，如圖8所示。

外輻射源照射無(wú)源定位處理流程如圖9所示。其中直達(dá)波提純、雜波抑制和微弱目標(biāo)檢測(cè)是外輻射源照射無(wú)源定位的關(guān)鍵技術(shù)[20，54]。

5.1 直達(dá)波提純

系統(tǒng)的參考信道除了接收外輻射源的直達(dá)波外，還會(huì)接收到經(jīng)建筑物等反射的多徑信號(hào)，而實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)需要純凈的直達(dá)波與目標(biāo)回波作匹配積累，因此參考信道能否接收良好的相干參考信號(hào)（直達(dá)波）十分關(guān)鍵。一般相干檢測(cè)系統(tǒng)中接收的參考信號(hào)是已知的，而以非合作信號(hào)作為參考信號(hào)時(shí)，其波形和參數(shù)具有較強(qiáng)隨機(jī)性，因此實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)較為困難。利用復(fù)倒譜、自適應(yīng)均衡等技術(shù)抑制多徑干擾，或?qū)χ边_(dá)波進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)可以獲得較為純凈的直達(dá)波[55-57]。

5.2 雜波抑制

目標(biāo)信道用于接收目標(biāo)回波信號(hào)，但在實(shí)際接收過(guò)程中，目標(biāo)信道不可避免地會(huì)接收到直達(dá)波和多徑效應(yīng)等產(chǎn)生的雜波。這些雜波往往是強(qiáng)干擾，信號(hào)能量較強(qiáng)，但目標(biāo)回波信號(hào)能量較小，甚至常淹沒(méi)在這些雜波中。故如何抑制或消除這些雜波以檢測(cè)出微弱的目標(biāo)回波信號(hào)，也是實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)的關(guān)鍵。雜波抑制方法有利用地物遮擋、天線設(shè)計(jì)、空域置零、頻域?yàn)V波、時(shí)域干擾相消等[58-59]。

5.3 微弱目標(biāo)檢測(cè)

非合作定位中，采用的外輻射源一般為第三方民用、商用信號(hào)，發(fā)射天線一般是全向天線，方向性不集中、發(fā)射增益小，故目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)參考信道時(shí)不僅伴隨著其他雜波的干擾，且與直達(dá)波和多徑信號(hào)相比信號(hào)十分微弱。因此，對(duì)微弱目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)和信噪比提升是十分重要的。微弱目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)一般需要做長(zhǎng)時(shí)間的相干積累，再采用互相關(guān)接收方式來(lái)提高檢測(cè)所需的信雜比[57]。

6 無(wú)源定位發(fā)展趨勢(shì)

6.1 定位精度和定位速度提升

采用數(shù)字式接收機(jī)、大規(guī)模天線陣列技術(shù)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外輻射源信號(hào)高精準(zhǔn)接收和識(shí)別，從而達(dá)到定位精度和定位速度的大幅提升。因此，采用混合定位方法提高精度和速度是一種發(fā)展趨勢(shì)。除此之外，許多定位算法是基于接收參數(shù)在高斯分布白噪聲的假設(shè)下開展設(shè)計(jì)研究的，對(duì)于實(shí)際定位情況，需要考慮許多非高斯分布的情況。

6.2 多目標(biāo)高變速移動(dòng)條件下的實(shí)時(shí)定位

針對(duì)單目標(biāo)的無(wú)源定位技術(shù)研究成果已較為豐富，然而對(duì)于多目標(biāo)的定位、追蹤、識(shí)別，特別是大規(guī)模高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的無(wú)源定位還不是非常完善。目前的多站無(wú)源定位技術(shù)和單站無(wú)源定位技術(shù)大多都是對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或者固定目標(biāo)的定位處理，對(duì)于高速、變速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位處理還是比較少見。

6.3 外輻射源選擇

對(duì)于電視廣播、移動(dòng)通信等非合作信號(hào)，因熟知調(diào)制方式、工作頻段，所以比較容易測(cè)知信號(hào)的基本參數(shù)及變化規(guī)律。對(duì)于一些未知外輻射源，尤其在沒(méi)有電視廣播等信號(hào)的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)定位較困難。因此，應(yīng)充分?jǐn)U大信號(hào)的頻段，并利用各種可能的信號(hào)作為外輻射源。

6.4 多平臺(tái)組網(wǎng)協(xié)同定位

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的環(huán)境下，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將不同無(wú)源定位平臺(tái)間的數(shù)據(jù)、有源平臺(tái)與無(wú)源平臺(tái)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以提高定位系統(tǒng)的生存能力、獲得更高精度的目標(biāo)狀態(tài)。其中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信表現(xiàn)性能、數(shù)據(jù)融合也是重要研究方向。

7 結(jié) 束 語(yǔ)

無(wú)源定位技術(shù)雖然起步較晚，但廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)并發(fā)揮著重要作用，受到越來(lái)越多關(guān)注，近幾年發(fā)展十分迅速。然而，實(shí)現(xiàn)成熟完善的無(wú)源定位系統(tǒng)仍十分困難，現(xiàn)階段的無(wú)源定位技術(shù)亟待解決的問(wèn)題還有很多，如精密儀器參數(shù)測(cè)量、實(shí)時(shí)多目標(biāo)定位追蹤、運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)形成、大容量信號(hào)處理、目標(biāo)和模式識(shí)別等。未來(lái)隨著相關(guān)學(xué)科革新，人工智能、新一代通信組網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展將推動(dòng)無(wú)源定位技術(shù)不斷進(jìn)步，并廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全多個(gè)領(lǐng)域。

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Development and Application Analysis of Passive Localization

Li Kang1，Ding Guoru1*，Li Jinghua1，Qian Huiming2，Liu Ningsong1

（1. Army Engineering University，Nanjing 210007，China; 2. Unit 32369 of PLA，Beijing 100040，China）

Abstract： Passive localization is realized by receiving the intended and unintended radiation，or reflection signals from the target. The locating system doesnt emit electromagnetic signals to the outside，so it has the characteristics? of good concealment，long operating distance and strong survivability，which has been widely used in civil and national defense fields. In this paper，the connotation and characteristics of passive localization，typical applications in military and civil fields，key performance indicators，key technologies of passive localization and passive localization based on external radiation sources are discussed，and the future development trend of passive localization technology is prospected.

Key words： passive localization;non-cooperative localization;illegal drone;illegal broadcast

收稿日期：2020-02-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U20B2038，61931011，61871398）;江蘇省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目（BK20190030）

作者簡(jiǎn)介：李康（1996-），男，青海西寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)源定位。

通訊作者： 丁國(guó)如（1986-），男，河南新鄉(xiāng)人，教授，博士，研究方向?yàn)殡姶艖B(tài)勢(shì)感知、群體智能。